有多種不同的控制方案用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。電流模式控制，以其簡單的形式監(jiān)控峰值開關(guān)電流，具有一些非常好的好處。這是在開關(guān)穩(wěn)壓器中實(shí)現(xiàn)高性能的一種流行方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要注意一些注意事項(xiàng)，但這些很容易解決，正如我將在這篇文章中討論的那樣。

峰值電流模式控制的好處

圖 1 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器中峰值電流模式控制的基本實(shí)現(xiàn)。有兩個控制回路在運(yùn)行：一個快速的內(nèi)部回路，將控制信號 Ve 與模擬的開關(guān)電流 Vcs 進(jìn)行比較以設(shè)置脈沖寬度，以及一個較慢的外部回路，將輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較以生成內(nèi)部控制信號環(huán)形。其效果是為輸出電容器和負(fù)載形成一個受控電流源，而電感器在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)從傳遞函數(shù)中“消失”。與輸出 LC 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的雙極點(diǎn)變成了單極點(diǎn)，這更容易穩(wěn)定，尤其是陶瓷輸出電容器具有固有的低 ESR 和高頻零。

 

圖 1. 峰值電流模式控制方案

使用電流模式控制，可以很容易地保護(hù)開關(guān)免受過流的影響，因?yàn)殡娏鳈z測信號可以與參考信號進(jìn)行比較，以在超過設(shè)定值時(shí)快速關(guān)斷。還有一種自然的快速“前饋”效應(yīng)，其中輸入電壓的變化會立即反映在開關(guān)電流斜坡速率中，直接影響關(guān)斷點(diǎn)，而無需等待輸出電壓中的誤差在慢速外部傳播校正前循環(huán)。

不過，在使用峰值電流模式控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有幾件事需要注意：噪聲拾取和次諧波不穩(wěn)定性。

嘈雜的信號

在保持電流感測元件的低功耗和具有足夠的合成電壓以避免噪聲問題之間存在沖突。在典型方案中，來自感測電流的電壓可能在 1V 左右，但在輕負(fù)載時(shí)，該值按比例減小。由于 di/dt 通過電路電感、寄生電容的充電和放電以及二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)，電流信號邊緣的尖峰是不可避免的。這些可能會導(dǎo)致穩(wěn)壓器過早關(guān)閉和混亂操作，因?yàn)樗鼈冊谳p負(fù)載時(shí)會成比例地增加信號。仔細(xì)的電路板布局當(dāng)然有幫助，適當(dāng)?shù)睦渎湟灿袔椭ǔ＿@在所有情況下都不夠。感應(yīng)信號上的簡單 RC 濾波器可衰減尖峰，但會增加延遲，使限流精度降低，并導(dǎo)致在低負(fù)載和低占空比下失去控制。電流感應(yīng)變壓器是一種獲得可用電壓電平且功耗很小的方法，但與電阻感應(yīng)相比，它可能既昂貴又笨重。在高占空比下重置變壓器也可能是一個問題。

一種有效的解決方案是在低電壓電平下進(jìn)行電阻式感應(yīng)，在前沿消隱的情況下，控制芯片在固定周期內(nèi)忽略電流感應(yīng)信號，通常在每個周期開始時(shí)為 50ns。隨著諸如 Maxim 等公司將 MOSFET 和終磁性元件集成到芯片中的進(jìn)展，問題逐漸消退。開關(guān)電流環(huán)路變得更小且更可預(yù)測，IC 制造商能夠在內(nèi)部補(bǔ)償瞬態(tài)。

更奇特的技術(shù)可以使用輸出電感器本身的電阻來檢測電流。然而，需要電路從電阻電壓降中減去正常的開關(guān)波形，并補(bǔ)償銅繞組電阻隨溫度的顯著變化。

次諧波不穩(wěn)定性

次諧波不穩(wěn)定性源于控制峰值電感電流，而不是控制平均電流的理想狀態(tài)。如果降壓轉(zhuǎn)換器的占空比小于 50%，輸入電壓的微小干擾會導(dǎo)致峰峰值紋波電流發(fā)生微小變化。輸入電壓的負(fù)擾動會導(dǎo)致峰峰值紋波電流減小。由于關(guān)閉時(shí)間大于開啟時(shí)間（《50% DC），因此電流有時(shí)間斜坡下降到等于其啟動周期電流的新穩(wěn)態(tài)值。在占空比高于 50% 時(shí)，關(guān)斷時(shí)間比導(dǎo)通時(shí)間短，電感電流斜坡下降不會回到起始值，因此下一個周期以更高的紋波電流開始，使平均電流暫時(shí)較高。負(fù)載電流是恒定的，因此增加的電流只能流入輸出電容，稍微提高其電壓。控制環(huán)路會在幾個周期內(nèi)糾正由此產(chǎn)生的輸出電壓誤差，但與此同時(shí)，脈沖寬度“抖動”通常為開關(guān)頻率的一半。請參見圖 2。

 

圖 2. D》0.5 的次諧波不穩(wěn)定性

對此的解決方案是人為地在導(dǎo)通時(shí)間感測電流波形上添加一些斜率，這可以很容易地從 I2C 時(shí)鐘信號中導(dǎo)出。或者，可以從誤差電壓中減去額外的斜率。該技術(shù)如圖 3 所示。

可以看出，如果在比較器輸入端添加一個斜率，等于來自電感下降斜率的等效信號的 50%，則峰值電流檢測點(diǎn)會調(diào)整以使平均電感電流在占空比擾動的情況下保持恒定。這確保了干擾在一個開關(guān)周期內(nèi)消失并保持穩(wěn)定性。在實(shí)踐中，通常將更多斜率添加到電流檢測信號的 100%，以確保在高占空比下的穩(wěn)定性。如果增加了過大的斜率，轉(zhuǎn)換器將越來越失去電流模式控制的優(yōu)勢，并且表現(xiàn)得更像是在電壓模式下。

對于給定的輸出電壓 Vout 和電感 L，電感波形的下降斜率 di/dt 是固定的。

這確實(shí)意味著在簡單的電路中，斜率補(bǔ)償并不總是適合可變輸出電壓，盡管可以進(jìn)行更復(fù)雜的可變補(bǔ)償——這是數(shù)字控制功能的良好候選者。